FV panely v provozu. Účinnost FV panelu 19/05/2017

Transkript

1 1/81 FV panely v provozu provozní podmínky energetická bilance panelu výpočet roční produkce integrace (BIPV) hybridní FVT kolektory Účinnost FV panelu 2/81 jaká je roční účinnost FV systému? 1

2 Vliv provozních podmínek na produkci 3/81 integrace do pláště nad střechou analýza FV systémů na pasivních domech Koberovy Staněk, K., FSV ČVUT (2011) Integrace do pláště zajištění chlazení 4/81 2

3 Instalace nad střechou 5/81 teploty až 70 C rozdíl mezi dolními a horními moduly > 10 C Teplota FV panelů ( C) FV panely horní FV panely dolní vzduch horní vzduch dolní 0 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 čas (hod) Instalace nad střechou 6/81 3

4 Porovnání dosahovaných teplot 7/81 Teplota FV panelů ( C) K6 integrace do krytiny K7 nad krytinou K7 dolní K7 horní K6 dolní K6 horní 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 čas (hod) Porovnání vlivu na účinnost 8/81 K6 integrace do krytiny K7 nad krytinou Relativní vývoj účinnosti (-) 1,08 1,04 1,00 0,96 0,92 0,88 0,84 K7 K6 0,80 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 čas (hod) 4

5 Experimentální FV systém na FSv ČVUT 9/81 zdroj: K. Staněk Experimentální FV systém na FSv ČVUT 10/81 5

6 Experimentální FV systém na FSv ČVUT 11/81 Experimentální FV systém na FSv ČVUT 12/81 6

7 Energetická bilance FV panelu 13/81 Q z,t Q s Q z,o Q e Q s Q z,o Q z,t Q e = 0 [W] Energetická bilance FV panelu 14/81 sluneční příkon Q s závislý na úhlu dopadu, denní době optické ztráty Q z,o odrazivost panelu, závislost na úhlu dopadu tepelné ztráty Q z,t vliv venkovní teploty, teploty oblohy, proudění okolního vzduchu, způsobu instalace (volně stojící, integrace do střechy) teplota FV panelu, přestup tepla elektrický výkon Q e vliv teploty panelu, vliv ozáření, druh technologie 7

8 Energetická bilance FV panelu 15/81 Q s Q z,t Q z,o h t e G ρ t FV Q e η e A k G A k ρ G A k h A k ( t t ) η G A = 0 FV e FV k Produkce elektřiny 16/81 vliv sluneční ozáření vliv teploty η = η r 1+ k ln η = η 1 β r G G r ( + ( t )) FV t r Typ článku β [%/K] Krystalické Si -0,35 až -0,52 Amorfní Si -0,10 až -0,30 CIS -0,33 až -0,60 CdTe -0,18 až -0,36 Q e = Q s η r ( 1+ β ( t 25) ) 1+ 0,03 ln FV G

9 Účinnost = f (G, t FV,...) 17/ elektrická účinnost [%] konverzni ucinnost (%) Teplota clanku: 25 C 50 C 75 C 100 C intenzita zareni (W/m2) sluneční ozáření [W/m 2 ] Odrazivost panelů 18/81 n θ 9

10 Odrazivost panelů 19/81 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 1 ρ = 1 (1 ρ n) 1 b0 1 cosθ ,5 0,4 0,3 0,2 0,1 všesměrová hodnota ρ 50 0, Tepelné ztráty 20/81 sálání vůči obloze q s o, = εpσ ( TFV T hs, o T = εpσ T sálání vůči střeše 4 4 FV FV T T 4 o 4 o e ) T o zataženo jasno T = ( ) 1. 5 o T e T o = T e (Swinbank, 1963) T FV ε p ε z ε s q s,st TFV Ts = σ ε ε z 4 s 4 T e T s 10

11 Tepelné ztráty 21/81 konvekce vlivem větru kombinace volné konvekce a nucené konvekce h w = h = w k, w + h w [W/m 2 K] McAdams Test Sharples Watmuff Johnson Sparrow Theory w [m/s] Tepelné ztráty 22/81 celkový tepelný tok z FV panelu do okolí 4 4 σ ( T T ) q = ε pσ ( TFV To ) + hw FV e w FV t ε ε Q FV s ( t t ) + + h ( t ) ( t ) z, t = q Ak = h Ak FV te z 4 s 4 s t FV = t e Qz,t + h A k = t e Q + s Q z,o h A k Q e Q e = f (t FV ) h = f (t FV ) vede k iteračnímu řešení 11

12 Součinitel NOCT 23/81 jmenovitá provozní teplota FV článku Nominal Operating Cell Temperature (IEC/TS 61836) G = 800 W/m 2, t e = 20 C, w = 1 m/s naprázdno (nezapojený panel) h ( t t ) = ( ρ ) G (1 η ) FV e 1 FV η FV = 0 jedná se o zjednodušenou bilanci, obecně je odrazivost ρ panelu již zahrnuta v η FV Součinitel NOCT 24/81 příklad NOCT = 45 C h = ( ρ) G ( ) 1 2 t FV t e = = 30.4 W/m K nejen vliv konvekce a sálání ale i tepelného odporu vrstev mezi článkem a okolím nezohledňuje způsob integrace (do pláště, nad střechou) 12

13 Zjednodušená bilance FV systému 25/81 stanovení H T,den tabulky, např. TNI (výpočet energetické náročnosti budov), TNI (solární tepelné soustavy) stanovení průměrné denní teploty FV panelu součinitel přestupu tepla h z NOCT t FV = t e, s ( ρ) 1 G + h T,m zjednodušený předpoklad: denní průměrná rychlost větru 1 m/s Zjednodušená bilance FV systému 26/81 stanovení denní účinnosti FV panelu η FV ze jmenovité hodnoty η r vliv teploty panelu vliv slunečního ozáření bez vlivu úhlu dopadu η FV ( 1+ ( 25) ) 1+ 0,03 ln = η r β t FV G

14 Zjednodušená bilance FV systému 27/81 stanovení denní produkce FV systému Q e,sys vliv úhlu dopadu ztráty na DC vedení (2 %) ztráty na měniči a regulátoru (5 %) srážka p = 8 % ztráty na AC vedení (1 %) Q e, sys 0 ηfv T,den FV =,9 H A 1 ( p) η e,sys = H Q e, sys, rok T, rok A FV Průběh zisků a účinnosti 28/81 10 m 2 FV systém, η STC = 15 % 14

15 ČSN EN /81 výpočet roční produkce FV systému pro hodnocení ENB špičkový výkon P pk [kw] P pk = K pk A FV K pk součinitel špičkového výkonu, v kw/m 2 při 1000 W/m 2, 25 C A FV plocha v m 2 ČSN EN /81 součinitel špičkového výkonu = jmenovitá účinnost panelu 15

16 ČSN EN /81 roční produkce Q e Q e = H T, rok P G r pk f perf = H η T, rok FV A FV f perf H T,rok dopadající sluneční energie v kwh/m 2.rok G r referenční sluneční ozáření 1 kw/m 2 f perf činitel výkonnosti systému [-] Činitel výkonnosti FV systému 32/81 zahrnuje vliv teploty vliv záření vliv úhlu dopadu systémové ztráty 0,80 0,75 0,70 16

17 Integrace FV do pláště budovy 33/81 FV jako součást budov architektonické začlenění estetický prvek konstrukční začlenění náhrada konstrukce BIPV stínicí zařízení 34/81 zdroj: eco green 17

18 BIPV přirozené osvětlení 35/81 transparentní moduly semitransparentní moduly zdroj: BritSolar, Onyx dvojitá okna s FV, argonová výplň BIPV přirozené osvětlení 36/81 18

19 BIPV přirozené osvětlení 37/81 BIPV v konstrukční integraci 38/81 zdroj: 3S Swiss Solar Systems 19

20 BIPV v konstrukční integraci 39/81 Národní divadlo amorfní moduly 22 kw p / 554 m 2 19 MWh/rok provozní budova 2008, 22 kw p Nová scéna 2009, 25 kw p zdroj: FDT, ENESA Integrace FV do pláště budovy 40/ C 33 C 36 C 33 C 41 C 36 C 48 C 40 C standalone 44 C C 46 C 56 C 56 C 63 C η el [%] 9 61 C 77 C 66 C integrated 76 C 8 t a = 25 C 3 m/s 0 m/s 92 C reference η el = 12 % (t PV =25 C, G = 1000 W/m 2 ) 106 C G [W/m 2 ] 20

21 Integrace FV do pláště budovy 41/81 vliv zvýšené provozní teploty na výkon FV článku - snížená produkce elektrické energie Integrace FV do pláště budovy 42/81 vliv extrémních provozních teplot na životnost FV panelu - riziko vysokých teplot nad 80 C pro EVA laminaci, delaminace, tvorba acetátů, naleptání kontaktů 21

22 Četnost teplot FV článku u BIPV 43/81 nechlazené FV panely v těsné / konstrukční integraci mírné klima (Praha) teplé klima (Atény) PV: tilt 35 ; tmax = 57 C BIPV: tilt 35 ; tmax = 93 C 1200 PV: tilt 30 ; tmax = 64 C BIPV: tilt 30 ; tmax = 101 C frequency [h/year] % produkce - 9 % produkce frequency [h/year] < > 80 PV temperature [ C] 0 < > 80 PV temperature [ C] Jak ochránit FV panely? 44/81 aktivní chlazení FV článků integrovaných do pláště budovy zvýšení produkce el. energie, navíc produkce tepla ochrana proti degradaci modulů high-tech roof BIPV-T high-tech roof BIPV-T 25 low-tech roof BIPV-T 25 low-tech roof BIPV-T increase of PV production [%] Praha 9 to 15 % for 5 C 4 to 7 % for 25 C temperature of application [ C] increase of PV production [%] to 24 % for 5 C 9 to 14 % for 25 C Atény temperature of application [ C] 22

23 45/81 Hybridní FVT kolektory Co jsou hybridní FVT kolektory? 46/81 spojení fotovoltaického panelu a solárního tepelného kolektoru do jediného zařízení o společné ploše společná produkce elektřiny a tepla = solární kogenerace fotovoltaický článek jako absorbér tepelného kolektoru fotovoltaická přeměna části pohlceného slunečního záření na elektřinu část záření se mění na teplo a odvádí se teplonosnou látkou EL TEPLO 23

24 Konstrukční uspořádání 47/81 toto nejsou hybridní FVT kolektory! Konstrukční uspořádání 48/81 FV článek jako součást zasklení nikoli jako absorbér FV článek využívá viditelného záření, infračervené propouští nevyužívá se tepla z FV, FV článek není chlazen FV snižuje výkon kolektoru zdroj: AIT 24

25 Konstrukční uspořádání 49/81 Hybridní kolektor FVT-vzduch 50/81 zadní strana, vzduchový kanál, nezasklená varianta větraná mezera ve dvojité fasádě, zasklená varianta 25

26 Chlazení FV vzduchem 51/81 Chlazení FV vzduchem 52/81 výhody nuceného chlazení vzduchem využití tepla pro předehřev větracího vzduchu, cirkulačního otopného vzduchu, sušení lepší odvod tepla než systémy s přirozeným chlazením nevýhody nuceného chlazení vzduchem velké průtoky, velké průměry potrubí, problém integrace pomocná energie pro provoz ventilátorů výrazné snížení produkce el. energie celého FVT systému (vlastní spotřeba) teplý venkovní vzduch v létě omezuje schopnost chladit FV problém s využitím tepla v létě 26

27 Hybridní kolektor FVT-kapalina 53/81 kolektor FVT-kapalina: výměník tepla pro chlazení zadní strany vyžaduje velmi dobrý tepelný kontakt s FV článkem nezasklená varianta zasklená varianta Hybridní kolektor FVT-kapalina 54/81 nezasklená varianta: elektrická energie jako hlavní priorita potřeba nízkoteplotního tepla primární okruhy tepelných čerpadel (0-10 C) předehřev studené vody (10-20 C celoročně) ohřev bazénové vody (25-30 C) 27

28 Hybridní kolektor FVT-kapalina 55/81 zasklená varianta: vyšší provozní teploty vyšší využitelnost tepla ohřev vody, vytápění,... nižší produkce el. energie (zasklení) problémy s teplotou FV absorbéru při klidovém stavu z kolektoru se neodebírá teplo: teploty až 120 C EVA laminace běžná u FV panelů není odolná (max. 80 až 85 C) nutná speciální laminace silikonové gely Ploché kapalinové FVT kolektory 56/81 zdroj: Wiosun, Solimpeks 28

29 Trubkové vakuové FVT kolektory 57/81 zdroj: Naked Energy FVT kolektory s tepelnou trubicí 58/81 29

30 FVT kolektor s Fresnellovou čočkou 59/81 osvětlení, řízení solárních zisků, využitelné teplo (TV), elektřina koncentrace zvyšuje účinnost FV článku, speciální FV články vodní chlazení udržuje teplotu FV článku na nízké úrovni zdroj: TIC Třebon Koncentrační FVT kolektor 60/81 zdroj: Cogenra 30

31 Kolik stojí FVT kolektory? 61/81 nezasklené komerčně vyráběné na trhu, polykrystalické FV cena FVT: EUR/m 2 (CZ 350 EUR/m 2 ) cena FV: < 150 EUR/m 2 Nízkonákladový kapalinový FVT kolektor 62/81 ABS PV INS 20mm FR 31

32 Nízkonákladový kapalinový FVT kolektor 63/81 sestavený z běžných komponent FV modul + výměník/absorbér + lepidlo + (tepelná izolace) cíl: porovnat výkonnost různých řešení Zkoumané varianty 64/81 pipe structure epoxy resin no insulation pipe structure epoxy resin thermal insulation XPS pipe structure epoxy-al resin no insulation 32

33 Zkoumané varianty 65/81 plate / pipe structure epoxy / epoxy-al resin no insulation plate / pipe structure epoxy / epoxy-al resin thermal insulation XPS plate / pipe structure epoxy / epoxy-al resin thermal insulation XPS Výsledky: pouze trubkový registr 66/81 0,6 0,5 0,4 η th [-] epoxy epoxy-al pipe structure adhesive bond without insulation 0,6 0,5 0,4 ηvelmi th [-] nízký teplený výkon: without insulation with insulation špatně vodivý laminát jako lamela pipe structure adhesive bond (epoxy) 0,3 0,3 velká rozteč trubek w < 1 m/s 100 mm 0,2 0,1 w < 1 m/s 0,2 0,1 hliníková příměs pro epoxy zlepšuje přestup tepla 0,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 (t m - t e )/G" [m 2 K/W] 0,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 (t m - t e)/g" [m 2 K/W] tepelná izolace zlepšuje přenos tepla z FV článku 33

34 Výsledky: výměník trubka-lamela 67/81 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 η th [-] w < 1 m/s dry epoxy epoxy-al plate/pipe structure thermal insulation 1000 zvýšení Q th [W] tepelného výkonu 800 teplovodivá lamela zlepšuje chlazení modulu 600 špatně vodivá laminace w < 1 m/s má 400 menší dopad pokud je zadní strana tepelně izolovaná 200 dry epoxy epoxy-al plate/pipe structure thermal insulation 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 (t m - t e )/G" [m 2 K/W] (t m - t e) [K] nezasklený FVT kolektor: 210 W el,p a 750 W th,p Výkon FVT kolektoru 68/81 high-tech PVT low-tech PVT high-tech, separate, w = 0 m/s low-tech, separate, w = 0 m/s specific thermal output [W/m 2 ] plně smáčený absorbér vynikající přestup tepla do kapaliny vysoká hodnota F specific thermal output [W/m 2 ] absorbér lamela-trubka velké rozteče trubek nízká hodnota F F = 0,97 F = 0, temperature difference t m - t a [K] temperature difference t m - t a [K] 34

35 Výkon BI-FVT kolektoru (izolace) 69/81 high-tech PVT low-tech PVT high-tech, separate, w = 0 m/s low-tech, separate, w = 0 m/s 800 high-tech, building integrated, w = 0 m/s 800 low-tech, building integrated, w = 0 m/s specific thermal output [W/m 2 ] specific thermal output [W/m 2 ] F = 0,99 F = 0,69 integrace do pláště budovy má významnější dopad na méně kvalitní FVT kolektory temperature difference t m - t a [K] temperature difference t m - t a [K] Proč hybridní FVT kolektory? 70/81 multifunkční prvek zvýšení využití slunečního záření z dané plochy pláště budovy současná produkce elektřiny, využitelného tepla (teplota) FV FT FVT FVT 150 W e 750 W t 2 x elektrický výkon? 2 x tepelný výkon? 35

36 Solární soustava (TV, EL) analýza FVT 71/81 dostupná plocha kolektorů 100 m m venku 30 m uvnitř bytový dům, 45 bytů, 100 obyvatel Porovnání systémů 72/81 FVT systém se 100 m 2 plochy kolektorů (varianty s různými FVT) konvenční systém s FV a FT kolektory s různým poměrem ploch: 100%FV pouze FV 75%FV-25%FT 50%FV-50%FT 25%FV-75%FT 100 m 2 polykrystalických modulů 75 m 2 of FV + 25 m 2 FT kolektorů 50 m 2 of FV + 50 m 2 FT kolektorů 25 m 2 of FV + 75 m 2 FT kolektorů 100%FT pouze FT 100 m 2 solárních tepelných kolektorů různé velikosti komponent u solární tepelné části podle plochy kolektorů (objem zásobníku TV, průměr potrubí, tloušťka izolace) 36

37 Cíl porovnání 73/81 jaká je maximální cena hybridního FVT kolektoru konkurenceschopná s konvenční instalací kombinující FV panely a FT kolektory? uvažovány 4 různé koncepce FVT kolektorů: nezasklené FVT v kvalitě dostupné na trhu zasklené FVT v kvalitě dostupné na trhu zasklené neselektivní FVT ve vývoji (testované) zasklené selektivní FVT ve vývoji (v návrhu) Zasklené hybridní kolektory (ČVUT) 74/81 využití pouzdření FV článků do polysiloxanového gelu tepelná odolnost do 200 C (EVA do 90 C) trvale pružný gel vysoce transparentní (vyšší propustnost než EVA, vyšší tepelná vodivost než EVA) zapouzdření FV článků mezi výměník a dvojsklo 37

38 Zasklené hybridní kolektory (ČVUT) 75/81 skladba zaskleného FVT kolektoru absorbér se zasklením jako jedna komponenta finální FVT kolektor Tepelné charakteristiky 76/81 1,0 unglazed PVT collector (market) glazed PVT collector (market) 0,8 gel lamination, nonselective (under development) thermal efficiency [-] 0,6 0,4 gel lamination, selective (under development) state-of-art glazed collector 0,2 under MPPT 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 (t m -t e )/G [m 2.K/W] 38

39 Výsledky - energie 77/81 Varianta Popis Úspora tepla [kwh/rok] Úspora elektřiny [kwh/rok] 100PV konvenční fotovoltaický systém, 100 % PV PV-25PT kombinovaný konvenční, 75 % PV + 25 % PT PV-50PT kombinovaný konvenční, 50 % PV + 50 % PT PV-75PT kombinovaný konvenční, 25 % PV + 75 % PT PT konvenční fototermický systém, 100 % PT PVT-UNGL nezasklený FVT dostupný na trhu PVT-GL zasklený FVT dostupný na trhu PVT-GLNS zasklený FVT neselektivní (ČVUT) PVT-GLSE zasklený FVT selektivní (ČVUT) potřeba tepla na přípravu TV: potřeba elektřiny na provoz domu: 96.3 MWh/rok MWh/rok Výsledky - energie 78/81 společná produkce elektřiny a tepla (zasklený FVT) nižší měrná produkce tepla nižší měrná produkce elektřiny FV FT FVT 50 m 2 50 m m MWh e 11.0 MWh e 1.6 x 31.1 MWh t 46.3 MWh t 1.5 x 39

40 Ekonomická analýza 79/81 cena FV panelu (polykrstalické panely): 120 /m 2 cena FT kolektoru (selektivní absorbér): 350 /m 2 cena kolektorů = 50 % celkové ceny systému (v obou případech) cena tepla (Německo): cena elektřiny (Německo): 8 cent/kwh 16 cent/kwh diskontní míra = roční růst ceny energie = 5 % Ekonomická analýza 80/ jaké jsou maximální investiční náklady FVT systému pro dosažení stejné bilance po 20 letech? total costs - savings [EUR] investiční náklady pro konvenční FV + FT systém years 40

41 Výsledky - ekonomika 81/81 PVT glazed selective (siloxane gel) 370 /m /m 2 PVT glazed nonselective (siloxane gel) PVT glazed (market) PVT unglazed (market) 100PT 25PV-75PT 50PV-50PT 75PV-25PT 100PV competitive price of PVT collector [ /m 2 ] 41